Laser đông lạnh là gì

Khái niệm laser hoạt động ở nhiệt độ thấp không phải là mới: tia laser thứ hai trong lịch sử là loại laser đông lạnh. Ban đầu, khái niệm này khó đạt được khi vận hành ở nhiệt độ phòng, và sự nhiệt tình đối với công việc ở nhiệt độ thấp bắt đầu từ những năm 1990 với sự phát triển của laser và bộ khuếch đại công suất cao.

Ở công suất caonguồn laser, các hiệu ứng nhiệt như mất khử cực, thấu kính nhiệt hoặc sự uốn cong tinh thể laze có thể ảnh hưởng đến hiệu suất củanguồn sáng. Thông qua việc làm mát ở nhiệt độ thấp, nhiều hiệu ứng nhiệt có hại có thể được ngăn chặn một cách hiệu quả, tức là môi trường khuếch đại cần được làm mát đến 77K hoặc thậm chí 4K. Hiệu quả làm mát chủ yếu bao gồm:

Độ dẫn đặc trưng của môi trường khuếch đại bị ức chế rất nhiều, chủ yếu là do quãng đường tự do trung bình của dây tăng lên. Kết quả là gradient nhiệt độ giảm đáng kể. Ví dụ, khi nhiệt độ giảm từ 300K xuống 77K, độ dẫn nhiệt của tinh thể YAG tăng lên gấp 7 lần.

Hệ số khuếch tán nhiệt cũng giảm mạnh. Điều này, cùng với việc giảm độ dốc nhiệt độ, dẫn đến giảm hiệu ứng thấu kính nhiệt và do đó giảm khả năng đứt gãy do ứng suất.

Hệ số quang nhiệt cũng giảm, làm giảm thêm hiệu ứng thấu kính nhiệt.

Sự tăng tiết diện hấp thụ của ion đất hiếm chủ yếu là do sự giảm độ giãn nở do hiệu ứng nhiệt. Do đó, công suất bão hòa giảm và độ lợi laser tăng lên. Do đó, công suất bơm ngưỡng bị giảm và có thể thu được các xung ngắn hơn khi công tắc Q hoạt động. Bằng cách tăng độ truyền qua của bộ ghép đầu ra, hiệu suất độ dốc có thể được cải thiện, do đó hiệu ứng mất khoang ký sinh trở nên ít quan trọng hơn.

Số lượng hạt của tổng mức thấp của môi trường khuếch đại gần như ba cấp bị giảm, do đó công suất bơm ngưỡng giảm và hiệu suất năng lượng được cải thiện. Ví dụ, Yb:YAG, tạo ra ánh sáng ở bước sóng 1030nm, có thể được coi là hệ thống gần như ba cấp ở nhiệt độ phòng, nhưng là hệ thống bốn cấp ở 77K. Er: Điều này cũng đúng với YAG.

Tùy thuộc vào môi trường khuếch đại, cường độ của một số quá trình dập tắt sẽ giảm đi.

Kết hợp với các yếu tố trên, hoạt động ở nhiệt độ thấp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của tia laser. Đặc biệt, laser làm mát ở nhiệt độ thấp có thể thu được công suất đầu ra rất cao mà không có hiệu ứng nhiệt, nghĩa là có thể thu được chất lượng chùm tia tốt.

Một vấn đề cần xem xét là trong tinh thể laser được làm mát bằng cryo, băng thông của ánh sáng bức xạ và ánh sáng hấp thụ sẽ giảm, do đó phạm vi điều chỉnh bước sóng sẽ hẹp hơn, đồng thời độ rộng đường và độ ổn định bước sóng của laser được bơm sẽ nghiêm ngặt hơn. . Tuy nhiên, tác dụng này thường hiếm.

Làm mát bằng đông lạnh thường sử dụng chất làm mát, chẳng hạn như nitơ lỏng hoặc heli lỏng, và lý tưởng nhất là chất làm lạnh lưu thông qua một ống gắn với tinh thể laser. Chất làm mát được bổ sung kịp thời hoặc được tái chế theo vòng khép kín. Để tránh sự đông đặc, thông thường cần đặt tinh thể laser vào buồng chân không.

Khái niệm tinh thể laser hoạt động ở nhiệt độ thấp cũng có thể được áp dụng cho các bộ khuếch đại. Titan sapphire có thể được sử dụng để làm bộ khuếch đại phản hồi dương, công suất đầu ra trung bình tính bằng hàng chục watt.

Mặc dù các thiết bị làm mát đông lạnh có thể phức tạphệ thống laser, các hệ thống làm mát phổ biến hơn thường ít đơn giản hơn và hiệu quả của việc làm mát bằng đông lạnh cho phép giảm bớt độ phức tạp.